Диплом 23.04. (1 часть) (актуальная). Исследование безотказности форсунки высокофорсированного дизельного двигателя, разрабатываемой в процессе импортозамещения
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
1.2 Обзор конструкции форсунок ведущих мировых производителей При разработке и совершенствовании топливных форсунок возникает проблема выбора их конструкции, основных параметров и характеристик. От ее конструкции в значительной мере зависят такие параметры процесса топливоподачи, как давление впрыскивания, его продолжительность, форма факела распыла и его дисперсность Ниже представлены конструкции форсунок основных мировых производителей для малолитражных дизельных двигателей, а также принцип их работы. 1.2.1 Устройство и принцип работы форсунки Siemens (Германия)  1 - подвод топлива, 2 -пружина распылителя, 3 - игла распылителя, 4 – мультипликатор, 5 – слив топлива, 6 - пьезопривод, 7 – камера управления, 8 – сливной канал, 9 – нажимной элемент, 10 – пьезоэлемент , 11 – клапан. Рисунок 2 - Устройство форсунки Siemens В исходном положении пьезопривод 6 обесточен и клапан 11 закрыт, игла распылителя 3 прижата к седлу корпуса распылителя силой давления топлива на мультипликатор в камере управления 7, впрыск топлива не происходит. По команде электронного блока управления срабатывает пьезопривод через нажимной элемент 9 открывая клапан 11. Давление, действующее на мультипликатор, падает, так как подводящее дроссельное отверстие в камере управления имеет меньшее сечение, чем сливное. Игла распылителя 3 под действием давления топлива поднимается и происходит впрыск топлива. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения на пьезопривод. При прекращении подачи напряжения на пьезопривод, клапан под действием пружины садится на седло, давление в камере управления восстанавливается через подводящий жиклер. Под действием давления топлива на мультипликатор, имеющего площадь больше дифференциальной площади иглы, последняя закрывается. Впрыск заканчивается. 1.2.2 Устройство и принцип работы форсунки Delphi (Великобритания)  1 - седло распылителя, 2 - игла распылителя, 3 - предкамера распылителя, 4 - топливный канал, 5 – ограничитель, 6 – электромагнит, 7 - пружина клапана 8 – клапан, 9 - сливной канал, 10 - пружина распылителя Рисунок 3 - Устройство форсунки Delphi В исходном положении электромагнит 6 обесточен и клапан 8 закрыт, игла распылителя 2 прижата к седлу корпуса распылителя 1 силой давления топлива на торец иглы и силой пружины распылителя 10. Впрыск топлива не происходит. По команде электронного блока управления срабатывает электромагнит, клапан 8 преодолевая усилие пружины 7 открывается. Давление, действующее на торец иглы падает, так как подводящее дроссельное отверстие в камере управления имеет меньшее сечение, чем сливное. Игла распылителя 2 под действием давления топлива поднимается и происходит впрыск топлива. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения на электромагнит. При прекращении подачи напряжения на электромагнит, клапан под действием пружины садится на седло, давление в камере управления восстанавливается через подводящий жиклер. Под действием давления топлива на торец иглы, имеющей площадь больше дифференциальной площади иглы, последняя закрывается. Впрыск заканчивается. 1.2.3 Устройство и принцип работы форсунки Denso (Япония)  1 - слив топлива, 2 - разъем электрический, 3 – электромагнит, 4 – клапан, 5 - подача топлива, 6 - пружина клапана, 7 - сливной канал, 8 - седло клапана, 9 - игла распылителя, 10 - пружина распылителя,11 – мультипликатор. Рисунок 4 – Устройство форсунки Denso В исходном положении электромагнит 3 обесточен и клапан 4 закрыт, игла распылителя 9 прижата к седлу корпуса распылителя силой давления топлива на мультипликатор 11. Впрыск топлива не происходит. По команде электронного блока управления электромагнитный клапан срабатывает и, преодолевая усилие пружины 6, открывается. Давление, действующее на мультипликатор 11 падает, так как подводящее дроссельное отверстие в камере управления имеет меньшее сечение, чем сливное. Игла распылителя под действием давления топлива поднимается и происходит впрыск топлива. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения на электромагнит. При прекращении подачи напряжения на электромагнит, клапан под действием пружины садится на седло 8, давление в камере управления восстанавливается через подводящий жиклер. Под действием давления топлива на мультипликатор, имеющего площадь больше дифференциальной площади иглы, последняя закрывается. Впрыск заканчивается. 1.2.4 Устройство и принцип работы форсунки Bosch (Германия) Электрогидравлическая форсунка CRI 2.14 Bosch (рисунок 3) состоит из следующих функциональных блоков: бесштифтовой распылитель, гидравлическая сервосистема, электромагнитный клапан. Топливо подается по магистрали высокого давления через подводящий канал к распылителю форсунки, а также через дроссельное отверстие подачи топлива в камеру управляющего клапана. Через дроссельное отверстие отвода топлива, которое может открываться электромагнитным клапаном, камера соединяется с магистралью обратного слива топлива. При закрытом дроссельном отверстии отвода топлива гидравлическая сила, действующая сверху на поршень управляющего клапана, превышает силу давления топлива снизу на конус иглы распылителя. Вследствие этого игла прижимается к седлу распылителя и плотно закрывает отверстия распылителя. В результате топливо не попадает в камеру сгорания.  1 - крестообразная направляющая; 2 - игла; 3 - распылитель; 4 - пружина запирания иглы; 5 - плунжерный мультипликатор запирания; 6 -втулка мультипликатора; 7 - входной жиклер камеры гидрозапирания; 8 - шариковый управляющий клапан; 9 - шток; 10 - якорь; 11 - электромагнит; 12 - пружина клапана; 13 - углеродное покрытие. Рисунок 5 - Устройство электрогидравлической форсунки При срабатывании электромагнитного клапана якорь электромагнита сдвигается вверх, открывая дроссельное отверстие отвода топлива. Соответственно снижаются как давление в камере управляющего клапана, так и гидравлическая сила, действующая на поршень управляющего клапана. Под действием давления топлива на конус игла распылителя отходит от седла, так что топливо через отверстия распылителя попадает в камеру сгорания цилиндра. Такое непрямое управление иглой применяют по той причине, что непосредственного усилия электромагнитного клапана недостаточно для быстрого подъема иглы распылителя. Цикл работы форсунки можно разделить на четыре рабочих такта: форсунка закрыта, с подачей высокого давления; форсунка открывается, начало впрыскивания; форсунка полностью открыта; форсунка закрывается, конец впрыскивания. Эти рабочие состояния определяются распределением сил в конструктивных элементах электрогидравлической форсунки. При неработающем двигателе и отсутствии давления в топливном аккумуляторе пружина прижимает иглу распылителя к седлу, закрывая форсунку. К особенностям форсунки можно отнести следующие: пружина иглы для функционирования форсунки необязательна и установлена для предотвращения заброса газа при отсутствии давления в аккумуляторе. Мультипликатор запирания(плунжер) 5 увеличивает запирающее усилие, действующее на иглу. Он образует с корпусом прецизионную пару. Несмотря на кажущееся увеличение габаритов ЭГФ, он облегчает ее компоновку, отодвигая объемный и не терпящий перегрева привод клапана от распылителя. Это особенно ценно для вертикально установленных в головке форсунок. Другой вариант форсунки имеет дополнительную пружину 4 (рисунок 4) для снижения смятия седла при ударной посадке клапана 5 (тогда масса якоря 3 мало влияет на силу удара). Однако, дополнительная подвижность якоря усложнят организацию многофазного впрыскивания.  1 - пружина запирания клапана; 2 - электромагнит; 3 - якорь; 4 - демпфирующая пружина; 5 - клапан; 6 - мультипликатор запирания; 7 - жиклер камеры гидроуправления; 8 - щелевой фильтр; 9 - входной штуцер. Рисунок 6 - Управляющий узел электрогидравлической форсунки Bosch При впрыскивании мультипликатор 6 (рисунок4) своим верхним торцем стремится закрыть осевое отверстие, ведущее к шариковому клапану 5. Это за счет обратной связи по подъему иглы уменьшает время срабатывания иглы и расход на управление. В форсунке Bosch ход иглы 0,23±0,03 мм, ход якоря электромагнита 0,050±0,002 мм, минимальный воздушный зазор между якорем и электромагнитом 0,065±0,010 мм, диаметр дросселя в канале управления клапана 5 (рисунок4) - 0,2375 мм. Минимальное количество впрыскиваемого топлива 1,4±0,8 мм3. 1.3 Обоснование выбранной конструкции Сравнительные данные форсунок различных производителей представлены в таблице 1. Таблица 1 – Сравнение форсунок мировых производителей
Из анализа таблицы 1 видно, что для текущего уровня рабочих давлений можно выделить два наиболее заметных пути разработки конструкций электрогидравлических форсунок. Первый – ЭГФ с плунжерным мультипликатором запирания и неразгруженным клапаном (форсунки Bosch, Siemens, Denso). Преимуществами данной конструкции является более крутой задний фронт характеристики, высокая линейность гидравлической характеристики, относительная простота и высокий уровень отработанности конструкции. Недостаток – аккумулирование загрязнений в ЭГФ из-за постоянных утечек. Второй – ЭГФ без мультипликатора запирания (форсунка Delphi), с минимальным объемом камеры управления. На ЭГФ такого типа все чаще применяются гидравлически уравновешенные, а в случае с последними конструкциями, – двухзатворные управляющие клапаны. Среди достоинств данного варианта – улучшенные массогабаритных характеристики, более низкие требования к электрической системе, более благоприятные показатели эффективности. Недостатками являются более сложные конструктивные схемы, требующие решения сопряженных технологических задач. Применение пьезоэлектрического привода клапана при наличии определенных преимуществ не выглядит единственно верным решением: остаются проблемы высокой стоимости, малых линейных перемещений. Для решения поставленной задачи, выбран первый тип - ЭГФ с плунжерным мультипликаторным запиранием и неразгруженным шариковым управляющим клапаном. Преимущество данного конструктивного исполнения в высокой отработанности конструкции, наличие в РФ серийного производства основных компонентов форсунки: распылитель, клапан (АЗПИ, г. Барнаул), магнит, ЭБУ (СОАТЭ, г. Старый Оскол). 1.4 Устройство разрабатываемой форсунки Устройство разрабатываемой форсунки представлено на рисунке 6.  1 – электромагнит; 2 – якорь; 3 – регулировочная шайба; 4 – запорный узел; 5 – клапан; 6 – поршень клапана; 7 – пружина иглы; 8 – втулка; 9 – игла распылителя; 10 – корпус распылителя. Рисунок 7 – Устройство разрабатываемой форсунки Ход клапана обеспечивается толщиной проставки в диапазоне 0,05±0,005 мм. Ход поршня 6, равный 0,3±0,01 обеспечивается прокладкой, установленной во втулке 8. Шарик запорного узла 4 прижимается к седлу упора якоря с усилием пружины магнита 11. Принцип работы электрогидравлической форсунки основан на использовании давления топлива, как при впрыске, так и при его прекращении. В исходном положении электромагнит 1 обесточен и запорный узел 3 клапана 5 закрыт, игла распылителя 9 прижата к седлу корпуса распылителя 10 силой давления топлива на поршень клапана 6 в камере управления. При создании давления в аккумуляторе, оно действует как на дифференциальную поверхность иглы, так и на поршень 6. Поскольку площадь рабочей поверхности поршня больше площади дифференциальной поверхности иглы, игла распылителя продолжает прижиматься к седлу. Впрыск топлива не происходит. По команде электронного блока управления срабатывает электромагнитный клапан, открывая сливной дроссель в клапане 5. Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие управляющего клапана имеет меньшее сечение, чем сливное. Игла распылителя 9 под действием давления топлива поднимается и происходит впрыск топлива. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения на электромагнит 1. При прекращении подачи напряжения на электромагнит 1, якорь под действием пружины опускается, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления восстанавливается через подводящий жиклер. Под действием давления топлива на поршень клапана 6, имеющего площадь больше дифференциальной площади иглы, последняя закрывается. Впрыск заканчивается. Технические данные разрабатываемой форсунки представлены в таблице 2. Таблица 2 – Технические данные разрабатываемой форсунки
Продолжение таблицы 2
|
